多旋翼無人機輕型機身結構優化設計

黃嘉豪+吳杰章+張純良+張守田

摘 要：該文以多旋翼無人機的機身作為研究重點。分析行業研究文獻與無人機行業，對多旋翼無人機機身的結構展開多角度探討，包括無人機機身材料、受力、裝配方式等方面。以蜂巢拓撲二維平面結構為核心理論，高彈性輕質工程木質為主體材料，提出高韌性碳纖維復合材料和木材復合鑲嵌補強方案，設計一款中心軸距600 mm，機架重量僅80 g，升力峰值4.5 kg，空機質量輕，運載能力極強，結構抗拉強度優越，疲勞斷裂周期長的輕型四旋翼無人機機身。電機絕大部分的升力都轉化為載運能力，飛行效率好，機架性價比高，對未來多旋翼無人機機架設計帶來一個新的方向。

關鍵詞：無人機 機身 蜂窩結構 碳纖維復合材料 凱夫拉復合材料

中圖分類號：V275.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（c）-0017-02

縱觀航空航天發展史，航空航天模型普及與航空航天科研水平有密不可分的關系。近年來，航空研究與其他科技發展日趨成熟，在加入任務載荷，穩定的動力系統和飛行控制系統后，航空模型飛機被人們賦予了新定義—無人機。其應用有更強的目的性與實用性，不僅僅在娛樂表演領域有更突出的表現，在航拍、環境與氣象探測、地理勘探測繪、社會救援監視等領域也有很大的應用價值[1]。隨著無人機的發展深入，加上應用市場的不斷拓寬，民用無人機逐步融入生活的各個領域，人們對無人機的認識也越來越家喻戶曉，在日常生活中就能看到各式各樣的旋翼無人機執行其特定的工作。多旋翼無人機操作簡便，造價成本低，在未來具有巨大的開發潛力和經濟效益，受多個行業青睞。

1 無人機輕型機身結構詳細設計

首先四旋翼的機臂采用碳纖維圓管作為機架的主要材料，因為圓管材料的強度較方管更有保障，且不易變形，可以承受多種外力的變形，對彎扭外力的削弱很有效果。此外，加上碳纖維復合材料的配合使用，可以使整個機身的質量得到很大的減小，使機臂的強度有效提升，對于啟動電機瞬間的抗突變扭力很有幫助。通過查詢相關文獻，得知型號為2212的電機在啟動時產生的扭力系數較小，因此在選擇碳纖維圓管材料時，對其直徑有所講究。我們選用了規格最小的一款，其長度為1 m。外徑為4 mm，內徑為3 mm，整根碳纖維管的重量是9 g。使用砂輪機將碳纖維圓管對半切割，得到兩根長度為50 cm的碳纖維圓管，分別用于該四旋翼無人機的左右機臂。

四旋翼機身起落架架的設計，分別采用碳纖維管、輕木以及層板進行了強度測試，最后對測試結果分析，綜合考慮價格、結構強度及性能分析后得出碳纖維管是四旋翼機身起落架架的最佳選擇。因此，起落架同樣采用碳纖維管進行制作，對機臂的支撐效果好，且結構穩定。同樣考慮到整體機身的質量要盡量小，碳纖維管在選材也使用了最小規格的碳纖維管，而腳架的結構采用的籃子4腳式，高度和寬度分別為20 cm和25 cm，碳纖維管用量為2 m。自此，腳架的設計完畢。我們可以看到以腳架支撐機臂的基本模型。

下面考慮的是各個部件的連接，為了設計更具有比較性，此次設計采用了兩種方案，一種僅采用輕木材料進行切割后拼接各個部件，將各個碳管連接起來，并固定各自的位置。由于輕木本身密度極小，且存在大量氣孔，因此質量只有層板的1/4。另外一種采用航空層板進行加工作為主要拼接材料，加工材料選用樺木或椴木均可，通過滲膠、浸漬、干燥、熱壓等工藝進行加工，該加工工藝的關鍵在于橫豎木紋的交錯壓制。相對輕木來而言，層板的結構強度要好很多，將兩種材料進行合理加工，即可得到結構強度較好的材料。經過測試發現兩種結構拼接方案均能滿足此次設計對結構強度的要求。由于各個部件的尺寸類型都比較小，均在5cm范圍內。在使用502膠水粘合后，采用輕木拼接的結構強度有了很大提升。雖然層板材質的強度更高，但輕木疏松且多氣孔促進了膠水的膠合，使整體粘接面均有合理的粘接強度，經過固化后本身分子間相互束縛在一起，產生了內聚力，強度顯著提升。為保證機身足夠輕，我們不使用航空層板材料，而采用輕木作為拼接材料，將機身、機臂、腳架拼接起來。至此，整個四旋翼無機人機的機身已經設計完成。

三視圖及拼裝圖如圖1所示。

2 結論

該文通過具體分析，對各種方案進行多項測試，測得該無人機輕型機架優化后，該機架優點如下。

（1）比原機架重量減少60%，飛行器極限載運重量增加13%。

（2）定點續航時間比原飛行器增加16%，電池過充過放情況下，飛機器的總運載量增加20%。

機架重量極輕，飛機起飛質量輕，運載能力得到有效加強，數據多方面表現出飛機性能的提升，又因所取材料的特性，這是一個結構抗拉強度優越的輕型四旋翼無人機機架。

參考文獻

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[2] 馬翊華，郭立甫.大疆無人機占領國際市場的成功經驗與啟示[J].對外經貿實務，2016（1）：76-79.

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[4] 鄭瑞琪，那萬才，洪國祥，等.直升機無孔蜂窩結構旋翼選膠和改進膠接工藝的若干經驗[J].航空材料，1982（1）：13-15，18.

[5] 張平.基于柔性蜂窩的變彎度機翼后緣結構設計[D].南京航空航天大學，2010.